ADMX -samarbetet, en grupp forskare som arbetar vid universitet i USA och Europa, har nyligen utfört en ny sökning efter osynlig axion mörk materia med hjälp av ett kavitetshaloskop och en lågbrusig Josephson parametrisk förstärkare. Kavitetshaloskop är känsliga instrument som är utformade för att upptäcka och studera glorier runt ljuskroppar eller andra fysiska fenomen. Josephson parametriska förstärkare, å andra sidan, är tekniska verktyg som kan användas för att manipulera kvanttillstånd för mikrovågsljusfält.

I deras senaste tidning, publicerad i Fysiska granskningsbrev , forskarna sökte efter axlar av mörk materia i den galaktiska glorin med en massa mellan 2,81–3,31 μeV. Resultaten av denna sökning kan hjälpa till att utesluta tidigare teoretiska förutsägelser, informera det framtida sökandet efter osynlig axion mörk materia.

"Vår senaste sökning motiverades av två olika mysterier i fysik, som båda skulle lösas med detektion av axion mörk materia, "Nick Du, forskare vid University of Washington och medförfattare till den senaste artikeln, berättade för Phys.org. "Den första av dessa är mysteriet om mörk materia."

Tidigare fysikstudier har funnit bevis på att det vi vanligtvis tänker på som materia endast utgör cirka 15% av universums totala massa. De återstående 85% tros vara sammansatta av partiklar som inte absorberar, avge eller reflektera ljus, och kan därför inte upptäckas med traditionella tekniker för att studera materia.

Detta icke-lysande material, känd som mörk materia, är fortfarande ett av de största mysterierna i samtida fysik, eftersom forskare fortfarande är osäkra på om det finns och vad det består av. Även om det nu har gjorts otaliga sökningar efter mörk materia med olika instrument, detta mystiska material har hittills aldrig observerats eller upptäckts.

"En möjlig lösning på vad mörk materia kan vara kommer från ett annat fysikområde, nämligen kärnfysik, i form av ett annat mysterium som kallas Strong CP -problemet, "Du förklarade." En populär lösning på Strong CP -problemet förutspår förekomsten av en ny partikel som kallas axionen, och axionens egenskaper gör den till en övertygande kandidat för mörk materia. När man ser axion mörk materia, ADMX -samarbetet hoppas kunna lösa både Strong CP -problemet och mysteriet om mörk materia. "

Kavitetshaloskopet som används av Du och hans kollegor består av ett resonanshålrum placerat inuti ett stort magnetfält. Enligt teoretiska förutsägelser, axlar av mörk materia i den galaktiska glorin ska kopplas till magnetfältet i hålrummet och producera fotoner.

Antalet fotoner som produceras kommer sannolikt att vara mycket litet, vilket gör den resulterande signalen mycket svår att upptäcka. Genom att ställa in resonanshålan inuti axionhaloskopet till samma frekvens som fotonerna, dock, antalet fotoner som produceras av den galaktiska halogen kan ökas.

"På ett sätt, vår sökning efter axion mörk materia liknar ganska mycket hur en radio fungerar, "Du sa." När frekvensen för en radio är inställd, man kan hämta på olika radiostationer. I det avseendet, vårt experiment är liknande, förutom att vi inte vet frekvensen för vår radiostation och signalen är mycket svagare. "

Sökandet efter axioner av mörk materia har pågått i flera decennier nu, och Du och hans kollegor har redan genomfört ett antal sådana sökningar med hjälp av deras kavitetshaloskop. Medan de hittills inte kunde upptäcka osynliga axioner, resultaten av deras senaste experiment utesluter en rad axionmassor som tidigare förutspåddes av riktmärke teoretiska modeller av axion mörk materia.

"Detta är faktiskt andra gången vårt experiment uppnår denna känslighet för axion mörk materia, men den här gången, vi har tredubblat intervallet som vi täckte i vår tidigare studie, "Du sa." Genom att uppnå och utvidga denna känslighet, vi har visat att i det fortsatta sökandet efter axion mörk materia, ADMX representerar en av de bästa förhoppningarna för att hitta den. "

Observationerna som samlats in av Du och hans kollegor kan informera framtida sökningar efter axioner av mörk materia, samtidigt som det banar väg för nya teoretiska förutsägelser. Forskarna gör nu en ny sökning efter axion mörk materia vid högre frekvenser. Om denna sökning också misslyckas, de planerar att fortsätta söka efter osynliga axioner vid ännu större frekvenser.

"Vid högre frekvenser, axion mörk materia blir svårare att upptäcka, eftersom de konventionella hålrum vi skulle använda inte längre är lika känsliga för axioner, "Du sa." Men vi har redan några intressanta prototyper på plats för att komma runt detta, till exempel experiment som använder en matris med flera kaviteter för att söka efter axion mörk materia. "

© 2020 Science X Network